奶牛行为信息智能监测系统研究.doc

奶牛行为信息智能监测系统研究 曾立华1，冯娟1，高昉2，赵秋霞1 （1河北农业大学机电工程学院，河北保定071001；2保定广播电视大学，河北保定071051） 摘要：发情鉴定是奶牛生产的关键环节，针对国内发情鉴定方法和研发设备自身的不足，设计了一种基于无线传感技术的奶牛行为信息智能监测系统，对其系统结构、功能及相对优势进行了介绍。结果表明，该系统不仅可以准确判断奶牛发情期，经适当改进后还可以实现对更多动物的体征进行监测。 关键词：奶牛；发情；无线传感；智能监测 ：TP2735：A：04398114（xx）061499-03 DOI:10.14088/j.ki.issn0439-8114.xx.06.056 IntelligentMonitoringSystemofCowBehaviorInformation ZENGLihua1，FENGJuan1，GAOFang2，ZHAOQiuxia1 （1CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，AgriculturalUniversityofHebei，Baoding071001，Hebei，China； 2BaodingRadioTelevisionUniversity，Baoding071051，Hebei，China） Abstract：Monitoringoestrusofcowisveryimportantduringthecowproduction.Intermsofdeficientmethodsandequipmentdevelopedtomonitoroestrusofcowatpresent，asystembasedonwirelesssensingtechnologywasproposed.ItwasabletointelligentlymonitorthebehaviorinformationofcowThestructure，functionandrelativedominanceofsystemwasintroducedpletely.Thesystemcanbeusedtojudgethecowoestrusandmonitormoreanimalphysicalsignreliablyafterbeingappropriatelyimproved Keywords：cow；oestrus；wirelesssensing；intelligentmonitor ：xx1209 基金项目：国家自然科学基金项目（31371532）；河北省科技厅资助项目（12220405D）；河北省保定市科学研究与发展计划项目（12ZG012） 作者简介：曾立华（1981），男，河北平乡人，讲师，主要从事农业信息化与智能检测方面的研究，（电话）03127526473（电子信箱） yurenmatou1011163。 产奶量充足可使养殖奶牛获得最大的经济效益，而发情鉴定是奶牛生产的关键环节14。目前我国绝大多数养殖场仍以人工观察、经验判断的方式进行奶牛发情识别，但其不仅费时费力，还易发生误判与漏检情况。一些大型养殖企业引入部分国外先进的监测技术，但受其管理模式落后、技术改进困难、售后服务价格高昂等因素影响，不适合在中小型奶牛养殖企业中普及。近几年，研究者围绕奶牛发情期监测方法进行研究，但研发的监测器普遍存在功耗高、重量偏大等不足59。因此，本研究综合计算机、通信、测控等技术，设计了奶牛行为智能监测系统，可准确采集、记录、显示和分析现场奶牛个体的身体物理参数，为后期及时、准确判断奶牛的发情期等提供科学依据。 1系统设计方案 发情期的奶牛常表现为运动步数增加、体温上升等3，6，结合相关参数的日常变化规律可提高奶牛发情判断的准确性。此外，系统的应用环境为养殖场，使用对象是奶牛，因此在设计中考虑到以下几点：采用无线传感技术，解决养殖场不易布线问题，并且不干扰奶牛正常生活；选用微处理器内核与射频收发器紧密集成的芯片，建立了周期性睡眠与唤醒循环机制，用于解决以往系统功耗高及重量大等不足；融合体温采集模块与活动量监测模块获取的信息，实现奶牛活动状态的准确判断。 整体系统主要由监测仪（下位机）、数据集中器和PC服务器（上位机）组成（图1）。其中，监测仪负责奶牛个体的识别和个体数据的采集与存储，通过无线射频方式与数据集中器实现通信；数据集中器通过RS232/USB串口与后台服务器连接，整个系统采用主从多机通信方式；用户通过PC服务平台的简单操作实现对奶牛个体信息的查询、浏览和分析。 2智能监测系统功能的实现 21监测仪的组成 监测仪采用模块化设计，主要由微控制器、活动状态采集模块、体温采集模块、电池低电量监测模块和电源模块组成。监测仪原理组成框图如图2所示，实际电路板如图3所示。 211微控制器选用TI（美国德州仪器公司）公司生产的CC430F5135型芯片作为控制核心，其集成了微处理器内核、外设、软件和射频收发器紧密，大大简化了系统的设计，可使用1GHz以下频段，具有高灵敏度、低电流消耗、高传输速率、功耗超低等特性。其外围电路如图4所示，充分利用了I/O接口，使用MOSFET控制方案定时检测电池电压，有效地降低了损耗，提高了可靠性。 212体温采集模块选用一线式数字输出温度传感器DS18B20（美国Dallas公司）10，其管芯内集成了温敏元件、数据转换芯片、存储器芯片和计算机接口芯片等多功能模块，可直接输出二进制温敏信号。该传感器与微控制器仅需要一条总线连接，采用外部电源供电模式简化了软件操作，提高了供电的驱动能力。 微控制器经单线接口访问DS18B20的工作流程为：对DS18B20进行初始化，发出ROM操作指令，存储器（包括RAM和E2RAM）操作指令、处理数据。主CPU对ROM操作完毕，即发出控制指令，使DS18B20完成温度测量，并将结果存入高速暂存器中，最后读取结果。 213活动状态采集模块将奶牛运动的加速度作为判断其活动状态的依据。选用飞思卡尔半导体生产的MMA7660FC，它是一个三轴数字输出I2C的加速度计，功耗超低。通过配置相应的寄存器可使其工作于3种不同模式：方向检测、振动检测和敲击检测。该系统选用敲击检测模式进行大动作检测，并通过连续两次判断动作是否超过设定阈值，减少误判，提高可靠性。为了估计奶牛位姿，增加了方向检测、记录身体方位的功能；为了降低工作能耗，使用了自动唤醒/自动睡眠模式。 214电源模块为了提高微控制器、温度传感器、三轴加速度计的工作稳定性，选用了TI公司生产的低压差线性稳压器TPS79333，具有超低噪声、快启动、高稳定等特点，外部连接只需3个电容。 22数据集中器的设计 采用与监测仪的微控制器功能基本相同的CC430F5137芯片，因其具有8kb的FLASH存储容量，便于存储更多数据。集中器与上位机之间采用异步串行通信方式，通过SIPEX公司生产的SP3220芯片进行电平转换，有效地降低了系统功耗。串口的有线通信均采用中断机制实现，便于多任务处理。 23无线通信功能的实现 监测仪采集的数据通过无线通信方式汇聚到集中器，信息收发模块采用了CC430内部集成的CC1101，其优势在于使系统的外围元件更少、节点体积进一步减小、工作于频段、调制格式与当前的射频终端相兼容等。 为了使系统具有更高的发射功率和接收灵敏度，参数符合要求的天线是必不可少的。目前433MHz频段的天线主要有PCB天线、芯片天线和鞭状天线3种。综合考虑多方面因素，在集中器上使用鞭状天线，以增强通信性能；在监测仪上采用PCB天线，以降低成本及重量。经过实际测试，可靠通信距离达150m，满足系统设计要求。 针对中小型奶牛场，采用了由单一集中器和多个监测仪布设的星型网络结构。各监测仪的程序写法完全相同，通过Wakeonradio唤醒模式以监视集中器发来的指令，当收到集中器发送的同步信号时，立刻产生一个与本身ID号相关联的延时函数，然后将数据传输出去。此时，集中器处于接收状态，会自动扫描空气中的信号，并间隔一定时间后进行一次同步信号的发送。一旦发现有符合协议的数据包，就会进行自动的接收，从而实现一点（集中器）对多点（监测仪）的可靠无线数据通信。为了防止数据在传输中因相互碰撞产生数据包丢失或混乱现象，设计中采用了时分复用（TDMA）技术。 24服务平台功能 服务平台主要由数据录入、奶牛信息查询、数据显示、奶牛发情分析和报表打印等模块构成。其中，数据录入模块主要是将奶牛场生产中相关的数据保存到数据库中，记录包括：奶牛的出生日期、性别、体型、体况、发情、配种、胎次等情况；奶牛信息查询模块包括个体资料和产奶量两类，可通过单一限定条件查询模块，也可通过多条件复合查询；数据显示模块用以实时显示接收到的奶牛体温及活动量参数数据；奶牛发情分析模块通过设定的阈值结合接收的数据，综合多种因素分析，做出是否发情的判断；报表打印模块为用户提供各类历史数据的输出。 3小结 本研究设计了一种基于无线传感技术的奶牛行为信息智能监测系统。发情监测仪选用功耗低和性能先进的传感器，有效记录并保存了奶牛的体温和活动量；采用微处理器内核与射频收发器集成的芯片，通信过程采用周期唤醒/睡眠循环模式，进一步降低了总体能耗；设计出合理的天线，保证了可靠通信距离的同时，大大降低了成本和重量。该系统中采用了三轴加速度计，可对奶牛位姿进行实时检测，进而判断奶牛的舒适度。整体系统经适当改进，也可应用于人体的活动监测和跌倒报警等。 参考文献： 1李生虎，张秀陶规模化牧场奶牛发情鉴定方法探讨J山东畜牧兽医，xx（6）：2526 2刘太宇，李贵喜，哈斯通拉嘎，等奶牛高效饲养技术图说M郑州：河南科学技术出版社，xx. 3李然，赵丽娜浅谈母牛发情表现与发情鉴定的辅助方法J黑龙江动物繁殖，xx，19（3）：3334. 4李彦军，赵晓静，翟文栋，等看奶牛异常行为诊断牛病J中国奶牛，xx（9）：3840. 5武彦，刘子帆，何东健，等奶牛体温实时远程监测系统设计与实现J农